7. Насыпные накопители в суровых климатических условиях

Применительно к гидроотвалам дисперсных промышленных отходов – золоотвалам, хвостохранилищам и шламонакопителям разработаны и в отдельных случаях успешно применяются различные конструкции противофильтрационных устройств и дренажных систем, позволяющих регулировать тепловой и фильтрационный режим сооружения, обеспечивать их устойчивость и предотвращать загрязнение окружающей среды. Несмотря на это, отмеченные в гл. 1 негативные факторы определяют необходимость перехода к более прогрессивным, в том числе и с природоохранных позиций, способам складирования отходов в насыпных накопителях.

Исходя из прогнозируемого уровня образования отходов тепловыми электростанциями и промышленными предприятиями, учитывая особое значение решения проблемы складирования и утилизации отходов для уменьшения и возможного устранения высоких нагрузок на экосистемы, можно выделить следующие приоритетные направления научных и проектно-конструкторских разработок:

• совершенствование конструктивно-технологических решений и улучшение эксплуатационных параметров насыпных накопителей;

• разработка природоохранных технологий складирования отходов в насыпные отвалы, исключающие гидротранспорт отходов, отстойные пруды и фильтрационные воздействия на окружающую среду.

7.1. Накопитель с незамерзающей дренажной системой

Применительно к насыпным накопителям до последнего времени отсутствовали достаточно надежные технические решения незамерзающих дренажных систем, осуществляющих отвод загрязненного атмосферного стока с поверхности насыпи, исключающих ее переувлажнение и снижение устойчивости.

Предлагаемая конструктивная схема дренированного накопителя[10, 11] на непроницаемом или экранированном основании приведена на рисунках 7.1 и 7.2.

Основными элементами такого накопителя являются: водоупорное (естественное или экранированное) основание 1, спланированное с уклоном к внутреннему дренажу с формированием внешней обваловки; дренирующий слой 2 толщиной 20–25 см (песчано–гравийная смесь, щебень, шлак), устраиваемый по всей площади основания; незамерзающий дренажный коллектор 3, обеспечивающий отвод во внешнюю емкость профильтровавшихся через толщу отходов и загрязнившихся при этом атмосферных вод; поярусно наращиваемая дренажная призма 4, располагаемая над дренажным коллектором; отходы 5, отсыпаемые поярусно с уплотнением при оптимальной влажности; упрочняющие дренирующие прослойки 6, предотвращающие морозное пучение, переувлажнение, солифлюкционное оплывание и эрозионный размыв в поверхностном слое; экран 7 из суглинка, золобетона или пленки 8; утепленный дренажный выпуск 9; внешняя емкость 10 для сбора противофильтровавшихся стоков; рекультивационный слой, не перекрывающий сток воды с поверхности насыпи в центральный дренаж.

Преимущества предлагаемого технического решения состоят в следующем.

• Надежность сооружения обеспечивается без устройства внешнего дренажа, обычно промерзающего при малых инфильтрационных расходах и по этой причине весьма неэффективного. Планировка прилегающей территории с уклоном от накопителя исключает поступление в него внешнего поверхностного стока.

• Осадки, выпадающие на поверхность насыпи и просачивающиеся в массив складируемых отходов, гарантированно отводятся по внутренней незамерзающей дренажной системе во внешнюю теплоизолированную емкость.

• Весенний сток накапливается в понижении над дренажом, что гарантирует быстрое оттаивание сезонномерзлой пробки в начале весны и последующую нормальную работу дренажа.

• Упрочняющие дренажные прослойки в поверхностном слое на откосах предотвращают его разжижение и оплывание в периоды сезонного оттаивания и обильных дождевых осадков, практически исключают пучение при сезонном промерзании насыпи.

В предлагаемом техническом решении насыпного накопителя с незамерзающей центральной дренажной системой принято, что сооружение отсыпается из дисперсных отходов промышленных предприятий. Возможно также складирование гидратированного золошлакового материала извлекаемого из ранее заполненной секции гидрозолоотвала. Дренажная система создает условия для эффективного управления водно–тепловым режимом и повышения устойчивости насыпи, исключает эрозию ее откосов дождевыми и талыми водами, предотвращает переувлажнение и оползание поверхностного слоя, испытывающего воздействие криогенных процессов при сезонном промерзании – оттаивании (пучение, трещинообразование, солифлюкция).

Для обоснования экологической безопасности дренированного накопителя и оценки его устойчивости необходимо знать фильтрационные параметры сооружения. Вычислительное моделирование фильтрации выполнено с использованием программного обеспечения, апробированного на аналогичных объектах путем сопоставления прогнозируемых и фактических параметров. Рассматривался квазистационарный режим фильтрации в плоско-

Рис.7.1 Схема складирования дисперсных отходов в насыпном накопителе

а) на водоупорном основании, спланированным с уклоном к дрене;

б,в) на проницаемом экранированном основании (суглинок, зола); г) план

Аналогично возводится накопитель более значительных размеров в плане, включающий несколько дренажных прорезей (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Перспективная схема складирования дисперсных отходов в насыпном накопителе с несколькими дренажными прорезями

вертикальной постановке для расчетного сечения, выбранного в средней части сооружения.

Непосредственное интегрирование уравнений геофильтрации возможно только в простейших случаях. Для решения рассматриваемой задачи со сложной конфигурацией области, с различными граничными условиями и с учетом поярусного наращивания золоотвала также применяется метод конечных разностей. Для оценки устойчивости откосов насыпи выполнены расчеты устойчивости откосов по схеме круглоцилиндрических поверхностей обрушения.

Рассматривался экстремальный режим эксплуатации. насыпного золоотвала ТЭС в условиях Центральной Сибири. Вследствии обильного увлажнения на поверхности насыпи формируется слой воды глубиной до 0,15 м. Образование такого поверхностного водоема возможно вследствие сочетания ряда неблагоприятных факторов – длительных интенсивных атмосферных осадков, низкой водопроницаемости массива отходов и недостаточной пропускной способности дренажной системы, например при ее засорении или при замедленном оттаивании сезономерзлого слоя. Этот слой рассматривается как краевое условие на верхней границе исследуемой области.

Расчеты проведены для следующих режимов эксплуатации сооружения:

• при работе только центрального дренажа и отсутствии (например, кольматации) дренирующиего слоя в основании насыпи;

• при работе центрального дренажа в сочетании с дренирующим слоем в основании;

• при работе двух дополнительных дренажей;

• при работе центрального дренажа в сочетании с крайним дренажем, отсутствием и наличием дренирующим слоем в основании.

В результате установлено, что оптимальным является вариант с центральным и крайними дренажами в сочитании с дренирующим слоем в основании (рис. 7.3.).

Рис.7.3. Результат расчета фильтрации при длительном затоплении поверхности насыпи